基于深井阳极阴极保护技术的储罐等级研究

(1. 中国石油天然气股份有限公司管道丹东输油气分公司，辽宁 丹东 118001；2. 四川石油天然气建设工程有限责任公司，四川 成都 610213；3. 中国石油天然气股份有限公司管道济南输油分公司，山东 济南 250101；4. 中国石油西部管道公司塔里木输油气分公司，新疆 库尔勒 841000)

基于深井阳极阴极保护技术的储罐等级研究

范 青1邓潜林2李 彬3陈翠翠4

(1. 中国石油天然气股份有限公司管道丹东输油气分公司，辽宁 丹东 118001；2. 四川石油天然气建设工程有限责任公司，四川 成都 610213；3. 中国石油天然气股份有限公司管道济南输油分公司，山东 济南 250101；4. 中国石油西部管道公司塔里木输油气分公司，新疆 库尔勒 841000)

针对以往深井阳极对储罐底板阴极保护数值模拟中存在的缺陷：金属构件极化曲线试验限定条件不同导致电位计算系统误差；没有考虑计算区域环境介质的不连续性，本文提出一种根据典型电流密度分布假设求解保护电位的方法：计算区域由土壤和沥青砂基础构成，根据阴极保护体系物理模型近似计算深井阳极极化电位。数值结果与现场实测电位数据对比验证了数值方法的可靠性，研究了单支深井阳极完全有效保护的临界储罐直径(等于56米)。

深井阳极 阴极保护 电位 储罐

0 引言

国内外阴极保护工程广泛应用了深井阳极对储罐底板阴极保护技术，深井阳极接地电阻小而稳定，占地少，减少甚至可以避免可能存在的干扰和屏蔽现象，适用大中型储罐施加阴极保护系统。但对于直径超过60米的特大型储罐[1]，应用深井阳极技术储罐底板各处能否达到有效保护电位还有待于进一步工程实践。

应用深井阳极技术必须有合适的地质结构和地层条件，受地下水文条件制约，设计施工存在一定的限制和难度，一旦建成调整非常困难，从施工和经济方面考虑使用单阳极是最实用的，因此研究单支深井阳极完全有效保护的临界储罐直径是具有实际意义的。

使用有限元、有限差分、边界元等数值方法是研究阴极保护体系电位分布问题的发展方向[2]，本文提出一种根据典型电流密度分布假设求解保护电位的方法，研究了单支深井阳极完全有效保护的临界储罐直径。

1 数学模型

稳态分布型阴极保护体系电位分布满足Laplace方程[3]，

式中S1阳极表面，S2被保护金属表面，σ计算区域环境介质电导率，)(φf被保护金属表面电流密度。

2 边界条件

2.1 深井阳极极化电位

目前对高硅铸铁深井阳极导电机理尚不清楚[4]，理论上定量确定深井阳极极化电位是很困难的，阴极保护工程根据土壤参数变化(主要是降雨和地下水造成土壤电阻率减小)和给定电压(汇流点电位)不断调整恒电位仪输出电压使阴极保护体系处于规定电位范围之内，深井阳极极化电位是动态变化的，阴极保护体系属于准静态平衡体系，鉴于此本文根据阴极保护体系物理模型近似计算深井阳极极化电位[4]，

式中U实际恒电位仪输出电压V，0I所需保护电流A，R深井阳极接地电阻Ω，wR深井阳极电缆电阻Ω，ξ焦炭回填料反电动势2V，以上参数可由储罐阴极保护系统参数计算。

2.2 计算区域边缘电位梯度

距离深井阳极较远时，电位变化很小(等于金属在土壤中的自然腐蚀电位，受深井阳极影响很小)，计算区域边缘电位梯度等于零，

2.3 储罐底板电流密度

第二类边界条件)(φf为阴极表面电位等于φ对应的电流密度，金属构件)(φf与φ的极化曲线需由试验[5]测出，极化曲线试验受很多限定条件(金属材质、电解液浓度、测试时间长短等)的影响，限定条件不同极化曲线拟和方程也不同，这将导致电位计算系统误差。本文提出一种根据典型电流密度分布假设求解保护电位的方法：文献[6]根据经典静电学原理推导出无限大空间带电圆盘电流密度i分布公式，

式中i圆盘导体距圆心a处的电流密度mA/m2，a该点距圆盘中心距离m，r圆盘半径m，I总电流A。

3 参数选取

3.1 计算区域环境介质

罐底板与以沥青砂为主要构造的基础接触，基础与土壤物性参数(电阻率、密度等)相差很大，以往数值模拟研究中假定土壤均匀、各向同性[2][5]，没有考虑计算区域环境介质的不连续性，这给模拟结果带来了误差，需加以改进。本文计算区域环境介质由土壤和沥青砂基础构成，土壤电阻率5Ω·m，沥青砂基础电阻率200Ω·m[7]，土壤和金属材料参数见表1。

表1 土壤和金属材料参数

3.2 假设条件

计算区域分成土壤介质和沥青砂基础两部分，单独区域中是均匀、各向同性的；金属表面状态和保护电位不随时间变化；不考虑杂散电流影响；深井阳极表面是等电位面，不考虑阳极极化。

3.3 阴极保护参数[4]

金属自然腐蚀电位：-0.55V，允许的阴极保护电位最小值:-0.85V，允许的阴极保护电位最大值:-1.2V，储罐底板平均电流密度：6mA/m2。

表2 数值结果和实测电位数据对比

4 实例验证

4.1 计算实例Ⅰ

文献[8]提供了使用多孔PVC参比电极测量实际罐底板保护电位分布数据，储罐直径36m，罐边缘到罐中心径向方向等距测量13个点，si≈6mA/m2，深井阳极距离储罐较远，具体数据不详，考虑到以往阴极保护工程经验和设计规范以及计算时间和精度，深井阳极距储罐边缘近端设为52m，埋深30m，长度15m。数值结果与实测电位数据对比见表2。

4.2 结果分析

大部分数值结果与电位实测数据相差不大，相对误差小于6%，其中深井阳极距储罐边缘近端区域内(0~3.0m)电位结果相差较大，这主要是两方面原因造成的：

(1) 阴极保护电位准则范围不同，一些情况下(硫酸盐性或还原性细菌土壤中)，工程实际最大阴极保护电位允许达到-1.5V，本文阴极保护电位范围-0.85V~-1.2V；

(2) 工程实际深井阳极极化电位是动态变化的，本文根据阴极保护系统参数近似计算深井阳极极化电位(等于常数)，计算结果必然存在一定误差。

4.3 结论

剔除影响因素(阴极保护电位准则范围不同、深井阳极极化电位动态变化)的干扰，数值结果与实测电位数据对比结果验证了深井阳极对储罐底板阴极保护体系数值模拟的可靠性。

5 单支深井阳极完全有效保护的临界储罐直径

5.1 计算示例Ⅱ

图1 单个储罐和单支深井阳极示意图

单个储罐MN和单支深井阳极B，罐底板厚度6mm，深井阳极规格型号(由15组单支深井阳极连接而成)，深井阳极距储罐边缘近端BN30m，埋深40m，见图1。研究单支深井阳极对直径40~66m储罐阴极保护时水平轴线保护电位分布规律，见图2(a)和(b)。

方便起见，定义储罐底板保护电位差最大值η，由图2可知η在水平轴线上由保护电位最小值(水平轴线某点)与保护电位最大值(近阳极端点N)相减得到，

恒电位仪输出功率P，

式中U恒电位仪输出电压V，I所需保护电流A。

η与储罐直径关系曲线见图3，恒电位仪输出功率与储罐直径关系曲线见图4。

图2

5.2 结果分析

由图2可知直径56m储罐保护电位最大值和最小值已经非常接近阴极保护电位范围(-0.85V~-1.2V)，考虑到实际阴极保护工程中存在调节余量，56m为单支深井阳极完全有效保护的临界储罐直径，直径大于56m保护电位已经超出了阴极保电位允许范围。由图3可知η最大值与储罐直径近似成线性关系，直径56m处为曲线的拐点，直径大于56m保护电位差η最大值随储罐直径增加有较大幅度的增加。由图4可知，储罐直径直径大于56m，恒电位仪输出功率增加幅度逐渐变大。

图3 η与储罐直径关系曲线

图4 恒电位仪输出功率与储罐直径关系曲线

5.3 结论

(1) 采用单支深井阳极对储罐底板阴极保护时，储罐直径需小于56米，合理布置储罐和深井阳极位置与埋深，适当调节恒电位仪输出电压，储罐底板近阳极点、远阳极点、中心部位保护电位可以到到保护要求。

(2) 单支深井阳极完全有效保护的临界储罐直径是56米，储罐直径大于56米，储罐底板保护电位差最大值和恒电位仪输出功率会有较大幅度的增加，这进一步补充了文献[1]关于深井阳极可有效保护储罐直径范围的观点。

6 结束语

考虑到计算时间和计算精度，本文研究了单只深井阳极对单个储罐底板阴极保护的情形，储罐个数增加时，储罐边界之间的相互干扰需要考虑，对包含复杂构件(离心泵、工艺管网、加热炉等)和较多数目储罐的复杂区域性阴极保护体系进行数值模拟还需要进一步深入研究。

[1] 陈学江, 康京梅.储油罐的几种阴极保护方法.天然气与石油, 2001, 19(1):31-33.

[2] 翁永基.阴极保护设计中的模型研究及其应用. 腐蚀科学与防护技术, 1999, 11(2)：99-111.

[3] 邱枫, 徐乃欣.钢质储罐底板外侧阴极保护时的电位分布.中国腐蚀与防护学报, 1996, 16(2):29-35.

[4] 胡士信.阴极保护工程手册, 北京：化学工业出版社, 1998, 12：112, 122-126, 56-58.

[5] 梁旭巍, 吴中元.油田区域性阴极保护计算机辅助优化设计研究.天津纺织工学院学报, 1998, 17(5):90-95.

[6] 俞蓉蓉, 蔡志章.地下金属管道的腐蚀与防护, 北京：石油工业出版社, 1998, 7: 223.

[7] 李章亚, 张清玉.油气田腐蚀与防护技术手册(上册), 北京：石油工业出版社, 1999, 6: 180.

[8] Kevin C.Garrity, Michael Urbas. Cathodic Protection of External Tank Bottoms. Materrials Performance, 1988, 27(4): 32-35.

Research on Tank Scale Based on Cathodic Protection Technology Using Deep Well Anode

FAN Qing1, DENG Qian-lin2, LI Bin3, CHEN Cui-cui4
(1. Dandong Sub-Company of PetroChina Pipeline Company, Dandong 118001, China; 2. Sichuan Petroleum Construction Engineering Co., Ltd., Chengdu 610213, China; 3. Jinan Sub-Company of PetroChina Pipeline Company, Jinan 250101, China; 4. Talimu Sub-Company of PetroChina West Pipeline Company, Kuerle 841000, China)

In allusion to the prevenient default in tank bottom cathodic protection numerical simulation using deep well anode, neglecting the inconsecutiveness of the calculation environmental medium, the distinctness of the restriction conditions in metal material polarized potential curve experiment resulted in potential calculation system error, the paper put forward a new calculation procedure of solving protection potential based on one typical current density distribution hypothesis, the soil and the bitumensand groundwork composed the calculation environmental medium, approximately calculating polarized potential of the deep well anode based on the cathodic protection physical model. This paper compared the fi eld testing data with numerical result, proved the reliability of numerical method, studied the critical diameter tank which single deep well anode can absolutely and effectively protect(equal to 56m).

deep well anode; cathodic protection; protection potential; tank

TG174.41

A< class="emphasis_bold">文章编号：1008-7818(2014)03-0067-04

1008-7818(2014)03-0067-04

范青 (1983－) , 河北保定人，工程师，学士，河北保定人，现主要从事设备维修及管道维抢修工作。